这类金刚石晶体管，革命芯片！

DT半导体材料 2024-05-06 20:01

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来源：electropages

随着工程师寻找新的半导体材料来制造下一代设备，研究人员终于能够使用钻石生产 N 型晶体管。摩尔定律给电子学带来了哪些挑战，研究人员开发了什么，以及它如何彻底改变电子学？

01 摩尔定律给电子学带来了哪些挑战？

摩尔定律可以说是计算和半导体领域最重要的观察之一，因为它能够预测未来几十年的计算能力。简而言之，它观察到，每两年左右，芯片上的晶体管数量就会增加一倍，而这种倍增的复合导致机器的能力呈指数级增长。

然而，尽管自第一块微芯片开发以来摩尔定律基本上是正确的，但研究人员在缩小晶体管时面临着越来越困难的挑战。

摩尔定律带来的主要挑战之一是设计和生产集成电路的复杂性不断增加。随着芯片上晶体管数量的不断增加，工程师在确保这些复杂系统的可靠性和功能性方面遇到了困难。需要更精确的制造工艺和先进材料来适应晶体管尺寸的缩小，这增加了电子设备生产的复杂性和成本。

此外，摩尔定律的不断发展给散热带来了挑战。随着越来越多的晶体管被封装到更小的空间中，这些组件产生的热量显着上升。管理热量以防止过热并确保电子设备正常运行成为设计人员关注的一个关键问题。创新的冷却解决方案和热管理技术对于有效应对这一挑战是必要的。

摩尔定律带来的另一个重大挑战是功耗问题。随着芯片上晶体管数量的增加，电子设备消耗更多的电量，导致便携式设备的电池寿命缩短，数据中心和大型计算系统的能源成本更高。对于努力满足消费者期望和行业标准的工程师来说，平衡高性能需求与能源效率需求成为一项艰巨的任务。

此外，摩尔定律预测的指数增长引发了人们对电子行业可持续性的担忧。符合摩尔定律所需的制造过程会产生大量电子废物，导致环境污染和资源枯竭。寻找可持续的解决方案来回收和处置废弃电子元件对于减轻技术进步对环境的影响至关重要。

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研究人员开发出世界上第一个N型金刚石晶体管

最近，日本研究人员在电子领域取得了重大进展，他们成功制造了世界上第一个“n沟道”金刚石基晶体管。这一发展是生产能够在高温下运行的处理器的关键一步，消除了对直接冷却机制的需求并扩大了电子元件的操作范围。

传统上，自 20 世纪 60 年代以来，硅晶体管一直是处理器制造的基础。然而，随着制造工艺尺寸的减小，硅的物理极限日益逼近，研究人员一直在探索替代材料，以提高电子设备的效率、速度和耐用性。金刚石晶体管的推出为改善电子行业提供了绝佳的机会。

通过在晶体管（本质上是促进电子电路中电流流动的电气开关）结构中使用金刚石，研究人员释放了更小、更快、更节能的电子元件的潜力。此外，这些金刚石晶体管表现出在极端条件下运行的能力，超越了传统硅基元件的限制。

这一开发的成功在于将磷掺杂金刚石外延层纳入晶体管结构中。磷掺杂是将磷引入金刚石层的过程，可增强材料的导电性，从而实现电子的有效流动。这种携带自由电子的n沟道层取代了标准芯片中传统的硅基层，使晶体管能够有效地发挥作用。

掺磷金刚石层的引入是半导体技术进步的一个里程碑。Wiley Online Library中有详细介绍，这种方法不仅增强了电子迁移率，而且还提供了卓越的耐热性，这对于下一代高功率和高频器件至关重要。这种用磷掺杂金刚石的创新方法成功地创造了一种晶体管，其性能和热稳定性超过了传统硅基元件，为更高效、更紧凑的电子产品铺平了道路。

在金刚石晶体管的构造中，研究人员采用了精心设计的工艺。通过在负层中轻掺杂磷并在正层中重掺杂，该团队创造了一种在极端温度下具有高导电性和稳定性的功能晶体管。添加退火钛“源极”和“漏极”触点以及三氧化二铝绝缘层，最终成功创建了世界上第一个使用金刚石的工作 n 沟道 MOSFET 晶体管。

至少可以说，这一成就的影响是深远的。这种基于金刚石的晶体管表现出高场效应迁移率，超过了所有其他基于宽带隙半导体的n沟道MOSFET。金刚石的宽带隙测量值为 5.47 电子伏特，而硅的宽带隙测量值为 1.12 电子伏特，使晶体管能够在更高的电压和频率下工作，为增强电子设备的性能铺平了道路。

03

这种晶体管如何彻底改变电子学？

金刚石的独特特性确实为改善电子设备的效率、速度和耐用性提供了令人兴奋的可能性。将金刚石晶体管集成到电子元件中可能会导致更小、更快、更节能的设备，为电子设计和性能的创新开辟新途径。

此外，金刚石的宽带隙使这些晶体管能够在更高的电压和频率下工作，为增强各种电子应用的性能铺平了道路。金刚石作为半导体材料的坚固特性使其成为推动下一代电子进步的关键参与者。

展望未来金刚石基晶体管的潜在应用是巨大的。从节能电子产品到适用于太空等恶劣环境的自旋电子器件和传感器，金刚石半导体的多功能性和鲁棒性为电子行业提供了充满希望的未来。无论是在超级计算机、电动汽车还是消费电子产品中，金刚石晶体管的集成都意味着向更先进、耐用和高效的电子系统的转变。

原文链接：https://www.electropages.com/blog/2024/04/new-diamond-transistors-open-up-world-of-semiconductors-opportunities

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